一种测试固液界面润湿性变化的传感器及方法与流程

1.本发明涉及界面润湿性测试技术领域，尤其涉及一种测试固液界面润湿性变化的传感器及方法。


背景技术：

2.润湿性是材料表面的重要特征之一，它在润滑、自清洁、油水分离、防结冰甚至航空航天领域都有很高的地位，所以，对界面润湿状态的转变进行监测很有必要。
3.目前，界面润湿性的表征方法有很多，如静态接触角、前进角、后退角、滚动角、表面粘附力等测试。但是，这些传统的润湿性监测手段是相对静态的，而材料的实际应用过程相对比较复杂，所以传统方法不能很客观地评价工况运行过程中界面润湿性的变化。与静态瞬时的表征方法相比较，清楚材料在实际复杂运行过程中界面润湿性如何动态变化，对材料的进一步优化设计以及实际应用才是更有价值的，例如，在材料进行连续长时间工作的情况下，如果能对材料表面润湿状态的变化进行预测，提前得知超疏水效果的失效或恶化，则能避免材料超疏水失效造成的损失。但是，目前本领域中并没有合适的手段能够预测材料运行过程中表面润湿状态的动态变化。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明提供了一种测试固液界面润湿性变化的传感器及方法。本发明提供的传感器利用材料的摩擦生电现象实现对固液界面润湿性变化的测试，所得结果准确可靠。
5.为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
6.一种测试固液界面润湿性变化的传感器，包括固液摩擦纳米发电机以及电输出测试装置；
7.所述固液摩擦纳米发电机包括线性马达以及固定在所述线性马达表面的发电机主体；
8.所述发电机主体包括空心管、固体摩擦层、液体对摩层、金属电极和导线；所述固体摩擦层包括第一固体摩擦层和第二固体摩擦层，所述第一固体摩擦层和第二固体摩擦层分别设置在所述空心管的两端，并封闭所述空心管；所述对摩层为液体，位于所述空心管内部；所述金属电极包括第一金属电极和第二金属电极，所述第一金属电极和第二金属电极分别设置在第一固体摩擦层和第二固体摩擦层外侧；所述导线用于将第一金属电极、电输出测试装置和第二金属电极依次连接；
9.在测试时，以待测固液界面的固体作为所述固体摩擦层，以待测固液界面的液体作为所述液体对摩层。
10.优选的，所述电输出测试装置为led灯或电流测试装置。
11.优选的，所述空心管的材质为塑料。
12.优选的，所述固体摩擦层表面的初始状态为疏水或超疏水。
13.优选的，所述固体摩擦层为绝缘材料。
14.优选的，所述固体摩擦层为聚合物疏水材料、聚合物超疏水材料、疏水改性的无机物材料或超疏水改性的无机物材料。
15.优选的，所述金属电极为导电胶带或气相沉积的金属薄膜。
16.优选的，所述液体对摩层包括水、油、血液或有机溶剂。
17.本发明还提供了一种利用上述方案所述传感器测试固液界面润湿性变化的方法，包括以下步骤：
18.以待测固液界面的固体作为所述固体摩擦层，以待测固液界面的液体作为所述对摩层，开启所述线性马达，使发电机主体随线性马达一起在水平方向进行简谐振动，空心管内的对摩层和固体摩擦层表面发生摩擦，通过所述电输出测试装置测试摩擦产生的电输出，根据所述电输出的变化判断固液界面的润湿性变化。
19.本发明提供了一种测试固液界面润湿性变化的传感器，包括固液摩擦纳米发电机以及电输出测试装置；所述固液摩擦纳米发电机包括线性马达以及设置在所述线性马达表面的发电机主体；所述发电机主体包括空心管、固体摩擦层、对摩层、金属电极和导线。本发明从材料本身的摩擦生电现象入手设计本发明的传感器，发明人发现，界面润湿性对固液摩擦电荷的分离和积累起决定性作用，在该发现的基础上实现了利用摩擦电信号来监测界面润湿性转变。基本原理如下：水在固体摩擦层表面如果超疏水状态，那么水与固体摩擦层表面接触后会迅速分离(水在表面无残留)，对应大的摩擦电输出，而随着水与固体摩擦层表面剧烈的接触一段时间后，固体摩擦层表面的超疏水状态可能会慢慢失效，例如发生超疏水滚动态到超疏水粘附态的转变，或者超疏水到超亲水的转变。在转变的过程中，一方面，会降低固液分离速率，减少固液界面产生的电荷的量；另一方面，在水与固体摩擦层表面分离的过程中，一部分水会粘附到固体摩擦层表面，对界面产生的电荷有屏蔽作用，上述的两个原因导致电输出减小。最后，当固体摩擦层的超疏水效果完全失效，固体摩擦层表面会粘附一层水膜，使得液-固摩擦变成液-液摩擦，进一步降低摩擦电输出。因此，界面超疏水的恶化过程对应于电信号的不断恶化，通过摩擦电信号来监测界面润湿性的变化是可靠的。
20.本发明创新性的将固液界面润湿性的变化与固液摩擦电信号的变化相结合，在线性马达的驱动下，使固液发生周期性接触和分离，实现用摩擦电信号的变化反映界面润湿性的变化。本发明提供的传感器部件简单，器件材料廉价易得，且制作简单，体积小，便于携带，可用于测试的材料非常广泛。本发明提供的传感器能够对材料使用过程中表面润湿性的动态变化进行预测，具有广阔的应用前景，可应用于油水分离领域、润滑、自清洁领域、输油管道、汽车加油系统，医学输液、输血，微流体输送等等。
附图说明
21.图1为电输出装置为led灯时本发明传感器的结构示意图，其中：1
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空心管，2-第一固体摩擦层，3-第二固体摩擦层，4-第一金属电极，5-第二金属电极，6-液体对摩层，7-导线，8-线性马达，9-led灯。
具体实施方式
22.本发明提供了一种测试固液界面润湿性变化的传感器，包括固液摩擦纳米发电机以及电输出测试装置。
23.在本发明中，所述固液摩擦纳米发电机包括线性马达以及固定在所述线性马达表面的发电机主体。
24.在本发明中，所述发电机主体包括空心管，所述空心管的材质优选为塑料，所述塑料具体可以为普通塑料或有机玻璃，所述普通塑料具体可以为聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)或聚四氟乙烯(ptfe)；所述空心管的内径优选为45mm，长度优选为60mm。
25.在本发明中，所述发电机主体包括固体摩擦层；所述固体摩擦层具有包括第一固体摩擦层和第二固体摩擦层，所述第一固体摩擦层和第二固体摩擦层分别设置在所述空心管的两端，并封闭所述空心管，即所述第一固体摩擦层和第二固体摩擦层的尺寸和空心管的内径一致；在本发明中，所述第一固体摩擦层和第二固体摩擦层材质相同，均为待测固液界面中的固体。
26.在本发明中，所述固体摩擦层优选为绝缘材料；所述固体摩擦层表面的初始状态为疏水或超疏水；即本发明所述方法测试的是疏水或超疏水固体材料与液体界面的润湿性变化，若固体摩擦层表面的初始状态为亲水，则固液摩擦电荷很难分离，摩擦电输出也就非常小，此时的固液界面也不存在润湿性变化的情况，没有检测意义。
27.本发明对所述固体摩擦层的具体材质没有特殊要求，只要是表面初始状态为疏水或超疏水的材料均适用于本发明；在本发明的具体实施例中，所述固体摩擦层优选为聚合物疏水材料、聚合物超疏水材料、疏水改性的无机物材料或超疏水改性的无机物材料；所述聚合物疏水材料具体可以为刺激响应型的聚合物疏水材料，如疏水性随着温度变化而发生变化的温度响应性聚合物；在本发明的具体实施例中，所述疏水改性的无机物材料或超疏水改性的无机物材料的改性方法优选为结构改性和/或组分改性，所述结构改性具体为在无机材料表面制备具有疏水或超疏水性的微结构，本发明对所述微结构没有特殊要求，具有可以为线状、管状、颗粒状、片状或台阶状，如纳米管、纳米线、纳米片、微米台阶等；所述组分改性具体为在无机材料表面修饰具有疏水或超疏水性的功能分子，本发明对所述功能分子没有特殊要求，具体可以为烷基类或氟类。
28.在本发明中，所述发电机主体包括液体对摩层，所述液体对摩层具体为待测固液界面中的液体，所述液体对摩层位于所述空心管内部；所述液体对摩层优选为水、油、血液或有机溶剂；所述水具体可以为纯水、海水或废水；所述油具体可以为植物油、原油、聚a烯烃(pao)、汽油、柴油中的一种或几种油的混合物；所述有机溶剂具体可以为乙二醇、二甲基亚砜、乙腈或 n,n-二甲基甲酰胺。
29.在本发明中，所述发电机主体包括金属电极；所述金属电极包括第一金属电极和第二金属电极，所述第一金属电极和第二金属电极分别设置在第一固体摩擦层和第二固体摩擦层外侧；所述金属电极优选为导电胶带或气相沉积的金属薄膜，所述导电胶带优选为铜胶带、铝胶带或合金胶带，所述金属电极的厚度优选为0.1mm。
30.在本发明中，所述发电机主体包括导线，所述导线优选为金属导线，所述导线用于将第一金属电极、电输出测试装置和第二金属电极依次连接。本发明对所述导线没有特殊要求，使用本领域技术人员熟知的导线即可。
31.在本发明中，所述发电机主体固定在所述线性马达表面；本发明对所述线性马达没有特殊要求，使用本领域技术人员熟知的线性马达即可；本发明对所述固定的方法没有特殊要求，在本发明的具体实施例中，所述发电机主体优选粘结在所述线性马达上，在应用时，将所述线性马达连接电源，用电将线性马达驱动，线性马达带动发电机主体在水平方向做简谐振动。在本发明中，所述线性马达的频率、振幅可调，随着线性马达频率和振幅的增大，可以使空心管内的液体(即液体对摩层)的运动状态发生层流、过渡流、湍流的转变，流动状态越剧烈，液体对固体摩擦层施加的压力越大，在本发明的具体实施例中，通过调控液体的运动状态，可以调控液体对固体摩擦层施加压力的大小，进而尽可能的模拟实际工况下的条件，提高测试结果的准确性。
32.在本发明中，所述固液摩擦纳米发电机输出的是交流信号，为便于测试，本发明优选在导线和电输出测试装置的连接线路上接入一个整流桥，将交流电转化为直流电。在本发明中，所述电输出测试装置优选为led灯或电流测试装置，在本发明的具体实施例中，利用固液摩擦纳米发电机输出的电流驱动led灯，根据能点亮led灯的数目或led灯的亮度可以判断电输出的大小，进而判断固液界面润湿状态的变化；在本发明中，所述电流测试装置优选为sr570低噪声电流放大器，使用电流测试装置能够更加精确的判断固液界面润湿状态的变化情况。
33.在本发明中，当所述电输出测试装置为led灯时，所述传感器的结构示意图如图1所示，图1中：1-空心管，2-第一固体摩擦层，3-第二固体摩擦层，4-第一金属电极，5-第二金属电极，6-液体对摩层，7-导线，8-线性马达，9-led灯。
34.本发明还提供了一种利用上述方案所述传感器测试固液界面润湿性变化的方法，包括以下步骤：
35.以待测固液界面的固体作为所述固体摩擦层，以待测固液界面的液体作为所述对摩层，开启所述线性马达，使发电机主体随线性马达一起在水平方向进行简谐振动，空心管内的对摩层和固体摩擦层表面发生摩擦，通过所述电输出测试装置测试摩擦产生的电输出，根据所述电输出的变化判断固液界面的润湿性变化。
36.在本发明的具体实施例中，优选先使用固体摩擦层封装空心管，然后将液体注入空心管中，然后将金属电极、导线、电输出测试装置以及线性马达按照上述结构进行组装，之后开启线性马达进行测试即可。
37.在本发明中，所述线性马达的频率和振幅优选根据待测固液界面的实际工况进行选择，在本发明的具体实施例中，所述线性马达的频率优选为1 hz～3hz，振幅优选为0.5cm～2.5cm。
38.在本发明的具体实施例中，若摩擦产生的电输出在较长时间内都能保持稳定，则说明固体摩擦层的疏水性是很稳定的，若摩擦产生的电输出逐渐变小，则说明固体摩擦层的疏水性逐渐恶化，其中电输出变小的速率越快，则固体摩擦层疏水性的恶化速度越快，且根据测试结果可以得知固体摩擦层的疏水性是在多长时间后变差的、具体是部分润湿还是完全失效。
39.本发明提供的方法利用摩擦电信号的变化趋势来实时反映界面的润湿状态，较为准确并且敏感，可以为实际工况做指导。在本发明的具体实施例中，宏观上，利用本发明的方法可以预测疏水或超疏水膜的稳定性；从微观上，根据疏水稳定性的测试结果可以追溯
到界面修饰的结构或组分的稳定性到底如何。例如，在本发明的一个具体实施例中，在油水分离领域，可以利用本发明的方法测试超润湿滤膜的性能持久度以及在较高压力下的工作稳定性；在本发明的另一具体实施例中，利用本发明的方法还可以测试不同微结构对材料表面疏水性的影响，用于筛选疏水性稳定的微结构，为设计稳定性良好的微结构提供指导。
40.下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整的描述。
41.实施例1
42.首先制备固体摩擦层：通过电化学氧化法制备得到微纳米复合阳极氧化铝(3d aao)，接着通过溶液浸渍法在3d aao表面修饰温度响应的两亲性聚己内酯，得到固体摩擦层，记为pcl-3d aao。聚己内酯是温度响应聚合物，这样做的目的是通过外界的温度刺激使得固体摩擦层的润湿性发生超疏水滚动态到超疏水粘附态的转变，进而验证界面润湿性和摩擦电输出的紧密关系。
43.组装传感器：将制备好的固体摩擦层封装到空心pet管的两端，然后将水注入空心pet管中，将铜胶带粘结在固体摩擦层背面，然后在铜胶带的背面引出铜导线，得到发电机主体，将发电机主体粘贴在线性马达上，将铜导线连接电输出测试装置，本实施例使用的电输出测试装置为sr570低噪声电流放大器，测试短路电流。
44.开启线性马达，线性马达运行的频率为2hz，振幅为1.5cm，在开启线性马达的同时，将体系以0.5℃/min的升温速率原位地将体系从15℃升高到40℃，使得固体摩擦层表面发生超疏水滚动态到超疏水粘附态的转变，即超疏水滚动态发生恶化，升温过程中记录传感器的输出电流。
45.结果显示：将体系以0.5℃/min的升温速率从15℃升高到40℃，峰值电流由最初的25na降低到最终的0.6na，电输出降低超过40倍。具体为：在升温过程中，15℃、20℃、25℃、30℃、35℃、40℃对应的接触角分别为166
°
、165
°
、164
°
、160
°
、144
°
、134
°
，对应的滚动角分别为3
°
、5
°
、 13
°
、34
°
、54
°
、90
°
，对应的峰值电流分别为：25na、21na、15na、6.5na、 2na、0.6na。以上结果可以看出，升温的过程，是基底从超疏水滚动态到超疏水粘附态的转变过程，它对应着电输出的恶化过程。所以，摩擦电输出和界面润湿性具有紧密关系，用电输出对润湿性的变化进行监测是准确可靠的。
46.实施例2
47.首先制备氧化铝纳米模板：去油的铝片电化学抛光，抛光液为乙醇和高氯酸的混合液。接着在草酸溶液中氧化，通过控制氧化时间来控制纳米洞的深度；
48.制备氧化铝微米模板：将去油的铝片不抛光处理，直接在10g/l的氯化钠溶液中进行刻蚀处理，清洗样品待用；
49.制备氧化铝微纳米复合模板：将用氯化钠刻蚀好的微米模板直接在草酸溶液中进行阳极氧化，之后获得微纳米复合结构。
50.制备好上述模板后，利用模板压印法在聚丙烯膜表面修饰不同的结构，具体做法是为：将模板和聚丙烯膜放到两块钢化玻璃中间，通过加热和加压使得聚丙烯膜融化流入到模板里面；冷却，用氢氧化钠溶液反应去掉模板，得到不同结构聚丙烯膜，分别为纳米结构聚丙烯膜、微米结构聚丙烯膜、微纳米复合结构聚丙烯膜。
51.将制备好的纳米结构聚丙烯膜、微米结构聚丙烯膜、微纳米复合结构聚丙烯膜分别用来组装本发明的固液摩擦纳米发电机，测试哪种结构最稳定。其中，固液摩擦纳米发电
机中使用的液体为水，其他部件和实施例1相同，使用的电输出测试装置和实施例1相同。
52.测试过程中，线性马达的频率均为3hz，振幅均为1.5cm，所得结果如表1所示。
53.表1纳米结构聚丙烯膜、微米结构聚丙烯膜、微纳米复合结构聚丙烯膜的润湿性变化测试结果
[0054][0055]
根据表1可以看出，在水与不同结构的固体摩擦层表面剧烈的接触分离过程中，微米结构摩擦纳米发电机的电输出在150s内由6na降低到一个极小值，与基线在同一个数量级,这是因为微米结构的空隙太大，水容易渗入其中，使得固体表面被水大面积的润湿，最后其表面甚至粘附了一层水膜，使得固液摩擦变成液-液摩擦，电输出变的非常小。相比于微米结构，微纳米复合结构的初始电输出为42na，30min后电输出仍然在42na左右，即在很长的一段时间内其电输出是非常稳定的，说明此结构在水的不断冲刷下是很稳定的，它和水剧烈的接触分离一段时间后，其表面润湿性并没有发生转变，测试完其表面基本没有水滴残留，表面静态接触角也基本没有变化。与微米结构、微纳米复合结构相比，纳米结构摩擦纳米发电机的电输出在 30min后也是下降的，测试完后其表面局部已经被润湿，其表面接触角也下降。结论：在固液摩擦中，不同尺度的结构稳定性可以排序：微米<纳米< 微纳米复合。因此，本发明的方法可以用于筛选稳定好的微结构，为设计稳定性良好的微结构提供指导。
[0056]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。